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编号:10278690
G蛋白偶联受体激酶和arrestins在受体调节中的作用
http://www.100md.com 《中国药理学通报》 1999年第4期
     作者:雷蓓蕾 韩启德

    单位:(北京医科大学第三医院血管医学研究所,北京 100083)

    关键词:G蛋白偶联受体;受体激酶;arrestins;受体调节

    中国药理学通报990402 摘要 G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCRs)是一大家族,介导许多激素的信号转导。在激动剂的持续作用下,GPCRs可发生对激动剂的敏感性下降,即受体减敏,现认为这一过程主要由G蛋白偶联受体激酶(G protein-coupled receptor kinases,GRKs)和arrestins两大蛋白家族介导:GRKs先结合并磷酸化被激动剂占领的受体,然后arrestins与磷酸化的受体结合,阻止受体与G蛋白发生作用,导致受体功能减退。近来发现,GRKs和arrestins还参与受体的内陷机制,而受体的复敏又与内陷密切相关。
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    中国图书分类号 R 345; R 392.11

    文献标识码 A 文章编号 1001-1978(1999)04-0293-04

    Effect of receptor kinases & arrestins in

    G protein-coupled receptor regulation

    LEI Bei-Lei, HAN Qi-De

    (Institute of Vascular Medicine, Third Hospital Beijing Medical University, Beijing 100083)

    ABSTRACT G protein-coupled receptors (GPCRs) mediate many signal transduction pathways. Most GPCRs are often desensitized during agonist exposure. The process appears to be mainly mediated by G protein-coupled receptor kinases (GRKs) and arrestins: GRKs bind to agonist-occupied receptors and phosphorylate them, which leads to the binding of arrestin and prevents the interaction of receptor and G protein. Recent studies have revealed that GRKs and arrestins also play important roles in endocytosis of GPCRs related to receptor resensitization.
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    KEY WORDS G protein-coupled receptor; receptor kinase; arrestins; regulation

    G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor,GPCRs)是一大家族,现已发现1 000多种,包括肾上腺素受体、血管紧张素Ⅱ受体、M型乙酰胆碱受体等,它们与相应的配体结合,通过与细胞膜内侧的G蛋白偶联,将细胞外信号传至细胞内,继而产生一定的效应。它们在激动剂持续存在时,往往对激动剂的敏感性下降,效应降低。减敏的机制可从转录、翻译和蛋白3个不同水平进行研究。在蛋白水平可由于受体蛋白的降解增加,也可由于受体与G蛋白脱偶联,属快速减敏,在数秒至数分钟内就可完成。目前认为这一快速的同源减敏主要由G蛋白偶联受体激酶(G protein-coupled receptor kinases,GRKs)和arrestins两大蛋白家族介导:GRKs先结合并磷酸化被激动剂占领的受体,然后arrestins与磷酸化的受体结合,阻止受体与G蛋白发生作用,导致受体功能减退。受体为了对激动剂浓度的快速变化作出反应,失活的受体还必须很快复活才能为再次刺激作储备,这就涉及受体的内陷和复敏,近来发现这些过程也与GRKs和arrestins有关。本文就此作一简要综述。
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    1 G蛋白偶联受体激酶(G protein-coupled receptor kinases, GRKs)

    GRK家族现已发现GRK1~6 6个成员。GRK1和GRK2迄今研究最多。

    GRK1是于70年代最早发现的成员[1],优先与光激活的视紫质(rhodopsin)结合,使之磷酸化,并发生减敏,所以GRK1又称视紫质激酶(rhodopsin kinase),其有一CAAX共有序列指导自身法呢基化(Farnesylation),靶向转移至光激活的视紫质所在的膜位置,与后者结合并使其磷酸化[2]。视紫质的磷酸化位点位于C-末端的丝氨酸/苏氨酸残基富集区[3]。GRK1主要分布于视网膜,已被克隆。

    GRK2是在80年代探讨β2肾上腺素受体(β2AR)同源减敏机制时发现的[4],它分布广泛,能使已被激动剂激活的β2AR磷酸化,所以又称β肾上腺素受体激酶(β-adrenergic receptor kinase,β ARK)。由于βARK能磷酸化光激活的视紫质,而GRK1也能磷酸化激动剂激活的β2 AR,说明二者在信号系统的调节机制中有相似之处,且二者在氨基酸序列上的显著同源性(33%完全一致,58%相似),也提示它们是GRKs基因家族的成员[5]。GRK2的cDNA已得到克隆。
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    进入90年代后,GRK家族的另外4个成员相继被克隆。GRK3(又称β ARK2)从牛脑cDNA文库中,GRK4(IT11)从人的脑皮质cDNA文库中,GRK5从人的心脏cDNA文库中,GRK6从人的心脏和脑cDNA文库中被克隆。其中GRK3,5,6分布广泛,GRK4主要分布在睾丸。所有的GRK成员拥有一类似的结构组成:一个位于N-末端由约185个氨基酸残基组成的弱保守区,一个由约270个氨基酸残基组成的保守蛋白激酶催化区,和一个由105~230个氨基酸残基组成的C-末端区。

    GRK1~6根据序列同源性又被分为3大亚家族:GRK1为第1亚族,GRK2和GRK3为第2亚族,GRK4~6为第3亚族。它们转移到细胞膜与受体结合的机制不尽相同:GRK1通过自身法呢基化,GRK2~3主要通过游离的G蛋白βγ亚基[6]和酸性磷脂[7],GRK4和GRK6通过自身棕榈酰化,GRK5则通过N-和C-末端的多基数区域转位至细胞膜上,与被激动剂激活的受体结合,并使之发生磷酸化。另外,GRKs的活性还受蛋白激酶C、钙结合蛋白如恢复蛋白(recoverin)和钙调素等的调节。
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    2 Arrestins分布与GPCRs

    Arrestins是一类可溶性蛋白家族,对细胞内的信号转导起抑制作用,现已克隆出4个成员:arrestin,β-arrestin, arrestin 3和cone arrestin。Arrestin为一分子质量为48 ku的蛋白,主要分布在视网膜,是于1985年作为自身免疫性眼色素层炎的病原抗原首次被发现的,起初叫S-抗原,随后发现它可调节视杆细胞的光依赖性信号转导,所以又称视觉arrestin[8]。暗光下arrestin溶解在胞浆中,当视紫质被光激活并被GRK1磷酸化后,arrestin则转位到视杆细胞外节盘膜与视紫质结合,阻碍其与G蛋白偶联。Xu等在缺乏arrestin的转基因小鼠模型上发现,arrestin的存在可使受体的减敏程度增加1倍[9]。1987年Benovic等发现1种类似于视觉arrestin的蛋白参与了β2AR的减敏[10],不久其c DNA得到克隆,此蛋白被称为β-arrestin。接着,arrestin 3 (又称β-arrestin2)被发现并克隆。这两种arrestin分布广泛,属非视觉arrestin,可与多种受体作用,如β2 AR 、β1 AR、α1B AR、M2型乙酰胆碱受体、视紫质等。在β2 AR减敏模型中,β-arrestin可促使受体与Gs蛋白进一步脱偶联,但仅对被β ARK磷酸化的受体敏感,对被蛋白激酶A磷酸化的受体不敏感,这说明β-arrestin参与β2 AR的同源减敏机制[1 1]。Cone arrestin是1993年被克隆的另一种视网膜特异性arrestin,在视锥细胞中极其丰富,由于其基因位于X染色体上,又称X-arrestin,对其功能还不了解,与arrestin同被归入视觉arrestin。
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    现对4种arrestin参与GPCRs调节的基本结构域已有一定的了解。各种arrestin在N-末端存在一共同的恒定氨基酸序列,包括激活识别区(可识别区分激动剂或非激动剂激活的GPCRs)、磷酸化识别区(识别受体是否处于磷酸化状态)和第二疏水交互作用区。其中前二者又被称为第一交互作用区,激动剂激活的磷酸化的GPCRs与之结合后,可促使arrestins的构象发生改变,暴露出第二疏水交互作用位点,使得arestins对GPCRs的亲和力大大增强[12]。视觉和非视觉arrestin的结构差别位于靠近C-末端处,后者有clathrin结合位点,而前者没有。C lathrin被认为是参与一种细胞吞噬方式(clathrin介导的细胞吞噬)的主要作用蛋白成分。

    3 G蛋白偶联受体的内陷与受体减敏和复敏

    大量研究证明,受体激动剂可促使GPCRs从细胞膜上转位至胞内,即受体内陷,该过程发生迅速,数分钟可完成。内陷的受体位于一种囊泡中,密度小于胞膜,具疏水性,可用蔗糖梯度离心法分离膜受体和内陷的受体。受体内陷后与激动剂的亲和性大大降低,亦不能与G蛋白偶联。放射配基结合实验和免疫组化技术等证明β2 AR、α1B AR、M型乙酰胆碱受体、5-羟色胺受体等均可经clathrin途径发生内陷。
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    最初认为受体内陷是受体快速减敏的机制,在使M3型乙酰胆碱受体C-末端的苏氨酸突变后,受体的内陷和减敏功能都严重受损[13]。但近来在β2AR模型上发现,快速脱偶联要先于受体内陷发生,引起效应降低的程度也大于后者所引起的;在组胺2型受体上,受体的内陷和减敏表现为两个完全独立的过程[14],所以只能说受体内陷并不是受体快速减敏所必需的过程。

    在激动剂刺激期间,受体不仅发生快速内陷,内陷的受体还不断返回至胞膜,恢复到可激动状态,该过程称受体的复敏。最近的研究结果显示,受体的内陷可能在受体的复敏过程中扮演着至关重要的角色。受体从胞浆返回至胞膜需要先脱磷酸化,在内陷受体所在的囊泡中就发现有一种强磷酸酶活性的物质,能使被β ARK磷酸化的β2 AR脱磷酸化,用蛋白磷酸酶的抑制剂calyculin A和抑制细胞内转运发生的monensin,均可阻断β2 AR的复敏。这种具有磷酸酶活性的物质已从牛脑中提纯出来,被称为G蛋白偶联受体磷酸酶(G protein-coupled receptor phosphatase,GRP)[15]。受体的脱磷酸化必须在囊泡内处于酸性状态时才可发生,可能与酸性条件诱导受体呈现一定的构象有关。
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    4 GRKs和arrestins在GPCRs内陷中的作用

    激动剂占领的受体发生磷酸化,对于许多GPCRs内陷是关键性的一步。在一种表达突变的β2 AR(β2 AR-Y326A)细胞株中,因突变的受体对β ARK的亲和性非常之弱,几乎不发生磷酸化和内陷,但通过转染技术使β ARK在该细胞株中高表达后,β2 AR就可发生磷酸化和内陷[16]。由此可见GRKs介导的受体磷酸化对于受体内陷的发生至关重要,而这种作用又依赖于arrestins。研究表明,β-arrestin或arrestin 3单独高表达就可促使β2 AR-Y326A发生内陷,当它们与β ARK共同表达时,这种作用则更强[17],而将突变的丧失功能的β-arrestin或arrestin 3转入上述细胞中,就可抑制β ARK的促受体内陷作用。更有趣的是,当β-arrestin与血管紧张素1A受体同时表达于细胞中时,血管紧张素1A受体可经典型的clathrin途径发生内陷,而其在自然状态下发生的内陷是不经由此途径的[18]。这表明arrestins对GPCRs内陷的发生有直接的作用,由clathrin介导。
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    免疫荧光分析技术发现,在激动剂存在时,β2AR、β-arrestin和clathrin共存于同一完整的细胞中[19]。β-arrestin和arrestin 3均能特异地、高亲和性地与clathrin结合,这可能与非视觉arrestins的C-末端存在clathrin结合位点有关。视觉arrestins上无clathrin结合位点,被认为是不介导视紫质内陷的。新近发现,在clathrin重链N-末端区有一小的高度保守区域,多为碱性疏水基团,与非视觉arrestins的clathrin结合区的酸性疏水基团相对应,是结合arrestins的重要区域[20]

    5 结语

    综上所述,GPCRs被激动剂激活,先与GRKs结合并被其磷酸化,磷酸化的受体与arrestins的亲和性大增,后者的结合使得受体与G蛋白不能发生作用,受体功能下降,arrestins再通过与clathrin结合,使受体被clathrin包裹形成囊泡,发生内陷;而内陷的受体又可在clathrin囊泡内的酸性条件下发生一定的构象改变,经G蛋白偶联受体磷酸酶作用脱磷酸化,重新回到细胞膜上,恢复对激动剂的反应性,即受体复敏。可见,GRKs和arrestins与激动剂引起的GPCRs的减敏和复敏过程都密切相关,对受体功能的影响很大,值得进一步研究探讨。
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    作者简介:雷蓓蕾,女,27岁,博士研究生;

    韩启德,男,53岁,教授,博士生导师,中国科学院院士,主要从事肾上腺素受体研究

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    1999-01-13收稿,1999-04-14修回, 百拇医药